Dalton atom kuramına göre, atom bir elementin kimyasal olarak birleşebilen temel birimi olarak tanımlanabilir. Dalton, atomu hem çok çok küçük hem de bölünemez olarak düşünmüştür. Oysa, 1850 li yıllarda başlayıp yirminci yüzyıla kadar uzanan araştırmalar, atomların bir içsel yapısı olduğunu, yani atomların atom altı tanecikler adı verilen daha da küçük taneciklerden oluştuğunu açıkça göstermiştir. Bu araştırmalar elektron, proton ve nötronların keşfine yol açmıştır.
Elektron
1890 larda birçok bilim adamı radyasyon, yani enerjinin uzayda dalgalar halinde yayımlanması ve iletilmesi konusunda çalışmalar yapmıştır. Bu araştırmalardan elde edilen bilgiler atomun yapısını algılamamıza önemli katkı yapmıştır. Radyasyon olgusunu incelemek için kullanılan araçlardan biri, bu günkü televizyon tüpünün öncüsü olan katot ışınları tüpüdür. Katot ışınları tüpü havası hemen hemen tamamen boşaltılmış cam bir tüptür. Tüpte bulunan metal levhalar bir yüksek voltaj kaynağına bağlandığında, katot adı verilen eksi yüklü levha görünmeyen bir ışın yayımlar; bu katot ışını, anot adı verilen artı yüklü levhaya doğru çekilir ve orada bulunan delikten geçip tüpün diğer uduna doğru hareket eder. Tüpün diğer ucunun yüzeyi özel bir maddeyle kaplanmıştır; katot ışını bu yüzeye çarptığında kuvvetli fluoresans, yani parlak bir ışık oluşur.
Bazı deneylerde katot ışını tüpünün dışına elektrik yüklü iki levha ve bir mıknatıs yerleştirilmiştir . Manyetik alan etkisinde katot ışını A noktasına, elektrik alanı etkisinde C noktasına çarpar; manyetik ve elektrik alanları birbirlerinin etkisini giderecek şekilde dengelendiğinde veya bu alanlar uzaklaştırıldığında ise katot işim B noktasına çarpar. Elektromanyetik kurama göre, hareket halinde olan yüklü bir tanecik bir mıknatıs gibi davranır ve içinden geçtiği elektrik veya manyetik alanla etkileşir.
Katot ışını artı yüklü levhaya doğru çekilip eksi yüklü levha tarafından itildiği için, bu ışının eksi yüklü taneciklerden oluşması gerekir. Bu eksi yüklü tanecikleri elektron olarak tanımlarız.
Bir İngiliz fizikçisi olan J. J. Thomson, katot ışını tüpü ve elektromanyetik kuram hakkındaki bilgilerini kullanarak, tek bir elektronun elektriksel yükünün elektronun Elektronlar kütlesine oranını saptamıştır. Thomson’un bulduğu rakam -1,76 X 108 C/g dır.
Burada C elektrik yükü birimi olan coulomb’dur. Daha sonra, Amerikan fizikçi R. A. Millikan, 1908 ile 1917 yıllan arasında yaptığı deneylerde, bir elektronun yükünün -1,6022 X 10-19 C olduğunu bulmuş ve bu verilerden bir elektronun kütlesini aşağıdaki gibi hesaplamıştır:
bir elektronun kütlesi =-1,6022 X 10-19C / -1,76 X 108C/g = 9,10 X 10-28 g
Görüldüğü gibi, elektronun kafesi çok çok küçük bir kütledir.
Radyoaktiflik
1895 te, Alman fizikçi Wilhelm Röntgen katot ışınlarının, cam ve metallerin olağan dışı ışın yaymasına neden olduğunu gördü. Yayımlanan bu yüksek enerjili radyasyon maddenin içinden geçebiliyor, fotoğraf filmi levhalarını karartıyor ve çeşitli maddelerin fluoresan ışık yayımlamasına sebep oluyordu. Bu ışınlar bir mıknatıs etkisi ile saptırılmadığından, katot ışınları gibi yüklü tanecikler değildi. Röntgen bu ışınlara X- ışınları adını verdi.
Röntgen’in bu buluşundan hemen sonra, Paris’de bir fizik profesörü olan Antoine Becquerel, maddelerin fluoresan özelliklerini incelemeye başladı. Tamamen bin tesadüf sonucunda Becquerel, kalın kağıtla sarılmış fotoğraf filmi levhalarının bir uranyum bileşiğinin etkisinde katot ışınları olmadan da karardığını fark etti. Uranyum bileşiğinden kaynaklanan bu ışınlar aynı X- ışınları gibi yüksek enerjili idi ve bir mıknatıs ile saptırılamıyordu; ancak X- ışınlarından farklı olarak bu ışınlar kendiliğinden oluşuyordu. Becquerel ‘in öğrencilerinden biri olan Marie Curie, kendiliğinden tanecik ve/veya ışın yayımlanması olgusunu betimlemek üzere radyoaktiflik terimini önerdi. Bu nedenle, kendiliğinden radyasyon yayımlayan herhangi bir elemente radyoaktif element denir.
Daha sonraki araştırmalar uranyum gibi radyoaktif maddelerin bozunması ya da parçalanması ile üç tür ışın oluştuğunu ortaya koydu. Bu ışınlardan ikisi artı ve eksi yüklü metal levhalar tarafından saptırılır . Alfa (α) ışınlan, α tanecikleri adı verilen artı yüklü taneciklerden oluşur, ve bu nedenle de artı yüklü levha tarafına dan saptırılırlar. Beta (ß) ışınları, ya da ß tanecikleri, elektronlar olup eksi yüklü levha tarafından saptırılırlar. Üçüncü çeşit radyoaktif ışıma, gama (y) ışınları adı verilen yüksek enerjili ışınlardan oluşur. Tıpkı X- ışınları gibi y ışınları da yüksüz olup, dışsal bir elektrik veya manyetik alan tarafından etkilenmezler.
Proton ve Çekirdek
1900 lü yılların başlarında, atomların iki özelliği açıkça belli olmuştu: Atomlar elektronları içeriyordu, ve elektriksel olarak nötürdü, yani yüksüzdü. Elektriksel açıdan yüksüz olabilmesi için bir atomda eşit sayıda artı ve eksi yük bulunmalıydı. Bu bilgilere dayanarak Thomson, atomu içinde gömülmüş halde elektronlar bulunan artı yüklü bir küre olarak öneriyordu. Thomson’un bu “kuru üzümlü kek” benzeri atom modeli uzun yıllar atom kuramı olarak kabul gördü.
1910 da, önceleri Cambridge üniversitesinde Thomson ile çalışmış olan Yeni Zelandalı fizikçi Ernest Rutherford, α taneciklerini kullanarak atomun yapısını incelemeye karar verdi. Meslektaşı Hans Geiger ve öğrencisi Ernest Marsden ile birlikte, Rutherford bir dizi deney yaptı. Bu deneylerde radyoaktif bir kaynaktan çıkan α taneciklerinin çarpacağı hedef olarak çok ince altın ve başka metal yapraklar kullandı. Deneylerinde α taneciklerinin çoğunun metal yaprakların içinden sapmadan ya da çok az sapma yaparak geçtiğini gördü; ancak zaman zaman bazı α taneciklerinin büyük bir açı ile sapma yaptığım da fark etti. Hatta bazen α taneciği geldiği yöne doğru geri tepiyordu. Bu çok şaşırtıcı bir buluştu; çünkü Thomson’un atom modeline göre atomun artı yükü tüm atomla o kadar dağılmış ve yoğunluğu küçüktü ki α taneciklerinin atomun içinden hemen hemen hiç sapmadan geçmesi beklenmekteydi. Nitekim Rutherford’ un bu buluş karşısında ilk tepkisi, “bu bir kağıt mendile 15 inch’lik bir kurşun sıktığınızda kurşunun geri tepip sizi vurması karlar inanılmaz bir olaydı” demek olmuştur.
Α tanecikleri saçılması deneyinin sonuçlarım açıklayabilmek amacıyla, Rutherford atom yapısı için yeni bir model oluşturdu ve bu modelde atomun büyük bir kısmının boşluktan oluştuğunu öneriyordu. Böyle bir yapıda α taneciklerinin çoğu altın yaprağının içinden sapmadan ya da çok az sapma yaparak geçebilirdi. Rutherford atomdaki artı yüklerin tümünün, atomun içinde yoğun ve merkezi bir çekirdekte odaklandığını önerdi. Böylece saçılma deneylerinde, herhangi bir α taneciği bir atomun çekirdeğine yaklaştığında büyük bir itici kuvvetle karşı karşıya kalıyor ve büyük bir sapma yapıyordu. Ayrıca, doğrudan doğruya bir çekirdeğe doğru hareket eden bir α taneciği hareket yönünü tam tersine çevirecek kadar büyük bir itici güce maruz kalacaktı.
Çekirdekteki artı yüklü taneciklere proton adı verilir. Yapılan başka deneylerde ise, bir protonun yükünün büyüklük olarak bir elektronun yüküne eşit olduğu ve protonun kütlesinin de 1,67262 X 10-24 g, yani elektron kütlesinin 1840 katı kadar olduğu bulunmuştur.
Araştırmaların bu safhasında, bilim adanılan atomu şu şekilde algılıyorlardı: Çekirdeğin kütlesi atomun kütlesinin çoğunu içerir, ancak çekirdeğin kapladığı hacim atomun hacminin sadece 1/1013 ü kadardır. Günümüzde atom (ve molekül) büyüklükleri pikometre (pm) adı verilen SI birimi cinsinden ifade edilir ve
1 pm = 1 X 10-12 m
Tipik bir atomun yarıçapı 100 pm kadardır. Oysa, bir atom çekirdeğinin yarıçapı sadece 5 X 10-3 pm dolayındadır. Bir atomla o atoma ait çekirdeğin göreceli olarak boyutlarını anlamak için şöyle düşünebilirsiniz: Atom Houston Astrodome’ u büyüklüğünde olsaydı atomun çekirdeği küçük bir taş parçası kadar olurdu. Protonların atomun çekirdeğine doluşmuş durumda olmalarına karşın, elektronların çekirdekten belli bir uzaklıkta, çekirdeğin etrafında yayılmış durumda oldukları düşünülür.
Nötron
Rutherford’un atom yapısı modeli önemli bir sorunu çözümsüz bırakıyordu. Rutherford’un zamanında, en basit atom olan hidrojenin bir tane proton, helyum atomunun ise iki tane proton içerdiği biliniyordu. Bu nedenle, helyum atomunun kütlesinin hidrojen a tomunun kütlesine oranı 2:1 olmalıydı. Oysa gerçekte bu oran 4:1 idi.
Rutherford ve diğer araştırmacılar atom çekirdeğinde, diğer bir atom altı tanecik bulunması gerektiğini düşündüler. Bunun kanıtı 1932 de İngiliz fizikçi James Chadwick tarafından sağlandı. Chadwick ince bir berilyum levhasını α tanecikleri ile bombardıman ettiğinde, berilyum metali α ışınlarına benzeyen çok yüksek enerjili ışınlar yayımladı. Daha sonraki deneyler, bu ışınların protonun kütlesinden biraz daha büyük bir kütleye sahip, elektrik yükü taşımayan nötür taneciklerden oluştuğunu gösterdi. Chadwick bu taneciklere nötron adım verdi.
Kütle oranlarındaki gizem artık açıklanabiliyordu. Helyumun çekirdeğinde iki tane proton ve iki tane nötron vardır, fakat hidrojenin çekirdeğinde sadece bir proton vardır ve hiç nötron yoktur. Bu nedenle oran 4:1 dir.
Başka atom altı tanecikler de vardır; ancak, atomun kimyada önemli olan üç temel bileşeni elektron, proton ve nötrondur.